台积电 三星电子3纳米制程争霸战

最近几个月来，三星电子的晶圆代工业务屡传佳报，夺下辉达(Nvidia)、高通等先进制程大单，气势如虹。

 

继高通5G 的Snapdragon 875、X60后，高通最近发表的5G 旗舰晶片Snapdragon 888 也采用三星电子的5纳米制程代工。这显示三星电子的5纳米制程已经克服外界传闻的良率不佳的瓶颈，才能获得高通的订单。

 

辉达的GeForce RTX 30系列显卡的GPU，采用三星电子8纳米制程代工。三星电子能够获得高通、辉达等大厂先进制程的订单是很正常商业行为的发展。

 

三星电子是全球「唯二」有能力生产10纳米以下制程晶片的晶圆代工厂之一，客户为分散风险，以及取得议价空间，往往会有第二家供应商的考量。

 

尽管三星电子陆续夺得一些重要客户高阶制程的订单，目前台积电的晶圆代工业务仍大幅领先三星电子。

 

台积电7纳米、5纳米的订单供不应求，目前7纳米制程产能约每月12万片，5纳米制程产能约每月9万片。为了应付客户强劲的需求，台积电积极扩充先进制程产能，预估明年7纳米产能可增加到约每月14万片，5纳米产能约每月10.5万片。

 

先进制程是驱动台积电营业额成长的最大动力，今年第三季，7纳米制程占台积电营业额高达35%，甫于今年第2季开始量产的5纳米制程，第3季的营业额占8%，16纳米制程占18%。16纳米及更先进制程在今年第3季，合计占台积电61%营业额，由此看来先进制程可说是台积电的命脉。

 

接连接到高通、辉达、IBM等大客户订单后，三星电子信心满满，最近三星电子少主李在镕，亲赴荷兰ASML总部访问，要求ASML提前交付三星电子已订购的9套EUV设备，以确保三星电子的5纳米、3纳米制程能够如期量产。

 

三星电子晶圆代工事业部副社长，对外宣称将于2022年量产3纳米制程晶片，并且目前已经与供应商合作开发初期设计工具。对比台积电将于2022年下半年量产3纳米的时程，三星电子似乎在3纳米的量产进度超越台积电。然而根据以往三星电子对先进制程量产进度公布的时程，与实际量产时程，往往有不小落差，因此在3纳米制程，台积电、三星电子孰快孰慢，尚待时间证明。

 

台积电董事长刘德音于上月底在南科3纳米厂上梁典礼中宣示，台积电3纳米制程将于2022年量产，初期每月产能将达5.5万片，2023年3纳米制程产能将扩充到每月10.5万片。这不仅表示台积电对3纳米制程推进时程信心满满，而且应该有客户承诺预订产能。

 

进入3纳米制程，对晶圆厂而言，将有不小的挑战。20纳米以下制程，半导体进入FinFET (鳍式场效电晶体)结构，与之前的MOS结构不同，这一关，卡到不少晶圆制造厂，联电、格芯、中芯等，皆曾在此节点面临障碍。

 

FinFET结构一路从16/14纳米微缩到5纳米，技术障碍不少，台积电一路「过关斩将」领先群伦，成为先进制程的火车头，这不仅创造台积电辉煌的业绩，也为高科技添加柴火，成为推动5G、人工智慧等新科技的推手。

 

进入7纳米制程，微影曝光设备开始面临考验，原本DUV(深紫外线)微影机的解像度无法以单次曝光，来完成微影显影的目的，必须使用多重曝光方能达成。

 

另一解决方式是采用EUV(极紫外线)微影机。相较DUV采用EUV可以减少光罩的数目，而且可提升制程效能。

 

台积电采保守的作法进入7纳米制程，台积电于2018年使用DUV成为全球第一家量产7纳米制程晶片的公司，2019年台积电方导入EUV，量产7纳米制程。

 

三星电子号称于2018年年底，开始量产7纳米EUV制程晶片，不过似乎没有客户采用，合理的推测是产能、良率皆无法达到客户的需求。直到2019年年底，三星电子的7纳米制程方真正进入量产，与原先公布的时程，约相差1年。

 

三星的5纳米制程，应该确定在今年下半年量产，否则高通不敢将总数量达数亿颗的IC交给三星电子代工。

 

3纳米制程这个节点，如果直接使用现有ASML的EUV微影机，单次曝光恐无法达成，必须使用双重或多重曝光，这不仅会增加光罩的数目，而且微影机台的吞吐量也会减少。

 

解决之道是使用ASML新开发的高数值孔径( High NA)的EUV，ASML首台高数值孔径的EUV EXE:5000 预计将于2022年推出，接着另一台升级版的EXE:5500可望于2024年问世。

 

尽管新的高数值孔径EUV，推出时间可以赶上台积电、三星电子3纳米制程的量产时间。不过由于新机导入至少须1到2年的测试，因此在2024年前，3纳米制程恐须使用多重曝光技术。

 

三星电子急于跟ASML高层连系，除了催货外，另一目标恐怕是希望ASML提早释出高数值孔径的EUV给三星电子，企图领先台积电抢得先机。

 

进入3纳米的另一难题是FinFET结构似乎已走到尽头，在这么小的间距下，容易有漏电等问题。

 

三星电子在2019年宣称将在3纳米制程导入GAA (环绕闸极)结构，相对地台积电在3纳米仍继续采用FinFET结构，直到2纳米制程方采用GAA结构。

 

GAA结构的效能较FinEET结构佳，台积电在3纳米没有直接使用GAA，主要的原因可能是保守的策略，确保3纳米能在2022年量产。

 

三星电子是一家资源丰硕，企图心高，执行力强的超级公司，尽管台积电在上半场，表现优异甩开三星电子的追击。三星来势汹汹，企图抢走台积电晶圆代工龙头的宝座，台积电必须步步为营方能保持战果。